一種頂端諧振四臂螺旋天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于衛(wèi)星導航天線【技術領域】，具體涉及一種頂端諧振四臂螺旋天線。本發(fā)明的頂端諧振四臂螺旋天線自上而下包括天線主輻射體、天饋網絡和結構主體，天線主輻射體下端接觸安裝天饋網絡形成接觸式饋電，結構主體用于支撐固定其上方的天線主輻射體和天饋網絡。本發(fā)明具有工作帶寬寬、輻射效率高、極化純度高、波束寬度大、相位中心穩(wěn)定和近場范圍小等優(yōu)點，與傳統(tǒng)四臂螺旋導航天線相比，具有增益高、結構牢固、易于生產加工等優(yōu)點。
【專利說明】一種頂端諧振四臂螺旋天線
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于衛(wèi)星導航天線【技術領域】，具體涉及一種頂端諧振四臂螺旋天線。
【背景技術】
[0002]衛(wèi)星導航天線的基本工作原理是同時能夠接收到來自于天空中多顆(不少于4顆)導航衛(wèi)星的電磁信號，并有效地將其轉化為電信號傳遞給后級接收機系統(tǒng)。由于圓極化電磁波入射到目標時旋向逆轉，而同時右旋圓極化天線能接收右旋圓極化波，而不能接收左旋圓極化波，反之亦然。因此圓極化天線能抑制雨霧干擾和多徑反射，被廣泛應用于移動通信、衛(wèi)星定位等領域。目前全球幾大衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)射天線均使用右旋圓極化天線進行發(fā)射，接收天線也需要設計成右旋圓極化天線，才能獲得最佳的接收信噪比。
[0003]常見的導航衛(wèi)星接收天線以微帶天線與螺旋天線兩大家族為主，它們都有著各自的優(yōu)、缺點，在特定的應用環(huán)境下無法互相取代。
[0004]微帶天線具有以下優(yōu)點:(1)剖面低、體積小、重量輕、能與載體共形；(2)具有平面結構，便于和有源器件集成為單一模塊；(3)易于加工制造，成本低廉。相同結構的微帶天線可以組成微帶天線陣，以獲得更高的增益和更大的帶寬。鑒于微帶天線的諸多優(yōu)點，在全球定位系統(tǒng)中越來越多的采用微帶天線來設計收發(fā)端。
[0005]微帶天線是在帶有金屬導體接地板的介質基板上貼加導體薄片而成的天線。它可利用微帶線或是同軸線進行饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起電磁場，并通過微帶貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射電磁場。
[0006]但微帶天線工作帶寬窄、方向性強(相對)、易受邊界條件影響(天線近場區(qū)較大)、輻射效率低、相位中心穩(wěn)定性差以及圓極化純度低等缺點也使得其在某些應用場合無法完全勝任，尤其是要求低俯仰角收星的情況下。
[0007]螺旋天線由于其自身樣式決定，能夠產生純度很高的圓極化輻射。由于具有行波天線特性，配合寬帶饋電網絡，平面螺旋天線可以達到超過10:1的帶寬。但為了實現(xiàn)單向輻射，平面螺旋天線需要一個深度約為1/4波長的反射腔。且天線尺寸與工作波長成正比，幾乎不受波導波長影響，因此體積較大，不適合裝載于飛行器或小型衛(wèi)星上進行衛(wèi)星導航應用，常見于地面監(jiān)測類應用。
[0008]立體螺旋天線有獨臂螺旋天線與多臂螺旋天線之分，多臂螺旋天線體積較小，且方向圖更接近半球形，相位中心更為穩(wěn)定，波瓣寬度更廣。其中，四臂螺旋天線在衛(wèi)星導航領域備受人們的青睞。諧振式四臂螺旋天線是一種衛(wèi)星導航系統(tǒng)中常用的天線形式，具有不需要參考地、能產生賦形方向圖，且重量輕、尺寸小的優(yōu)點。但四臂螺旋天線最大增益理論上不超過3dB，接收信號效果略差；且傳統(tǒng)的四臂螺旋天線制作工藝是將金屬導體纏繞在介質柱上，或將金屬臂印制在柔性印制板上卷曲而成，無法滿足如裝載于彈頭部位時大沖擊、大過載、高速旋轉的工作要求。

【發(fā)明內容】
[0009]本發(fā)明需要解決的技術問題為:現(xiàn)有四臂螺旋天線增益小，接收信號效果差；結構不牢固，難以滿足如裝載于彈頭部位時大沖擊、大過載、高速旋轉的工作要求。
[0010]本發(fā)明的技術方案如下所述:
[0011]一種頂端諧振四臂螺旋天線，自上而下包括天線主輻射體、天饋網絡和結構主體，天線主輻射體下端接觸安裝天饋網絡形成接觸式饋電，結構主體用于支撐固定其上方的天線主輻射體和天饋網絡；
[0012]所述天線主輻射體為四臂螺旋圓臺形，四臂頂端相連接，中心通過固定螺釘與結構主體相固定；所述天饋網絡將輸入至天饋網絡輸入端口的電信號等功率分為四路，并且每相鄰兩路之間依次相差90度，從四個輸出端口將電信號傳遞給天線主輻射體的四個螺旋臂底部的饋電端面；天線主輻射體的饋電端面通過螺釘，貫穿天饋網絡固定于結構主體上。
[0013]作為優(yōu)選方案:所述天線主輻射體包括諧振頂部、四條螺旋臂和螺旋臂底部饋電端面:所述諧振頂部為實心圓臺，其設有螺釘通孔，用于通過校正螺釘與結構主體相固定，并校正所述天線主輻射體中心位置矢量；四條圓周方向均勻分布的螺旋臂，上部與諧振頂部呈一體化設計，其余部分逐漸增粗沿諧振頂部張角向下沿同一旋轉方向螺旋延伸，整體呈圓臺形；每條螺旋臂底端水平向外延展，形成四個互不接觸的饋電端面，每個饋電端面均設有饋電緊固螺釘安裝孔。
[0014]作為優(yōu)選方案:四條螺旋臂由上至下逆時針旋轉3/4周，使天線具有右旋圓極化輻射特性；或四條螺旋臂由上至下順時針旋轉3/4周，使天線具有左旋圓極化輻射特性；四條螺旋臂的長度均接近所需工作頻率波長的3/4。
[0015]作為優(yōu)選方案:所述天饋網絡由介質基板制作而成，包括一分四正交功分網絡、阻抗匹配網絡、四個饋電面和射頻地面:從天饋網絡輸入端進入的電信號依次經一分四正交功分網絡、阻抗匹配網絡和饋電面通過天線主輻射體的饋電端面?zhèn)鬟f至天線主輻射體。
[0016]作為優(yōu)選方案:
[0017]所述一分四正交功分網絡由印制在介質基板上的微帶線及焊接元器件組成，將輸入端信號等功率、依次相差90度輸出至天饋網絡四個饋電面；相位差順序根據左、右旋圓極化需求設計；所述一分四正交功分網絡所有輸入、輸出端口根據實際需要進行阻抗匹配；
[0018]所述饋電面為與螺旋臂底部饋電端面相同形狀尺寸的微帶線，四個饋電面的位置與螺旋臂底部饋電端面相對應，能夠在天線主輻射體安裝在天饋網絡上時完全被螺旋臂底部饋電端面所覆蓋；
[0019]饋電面與一分四正交功分網絡之間通過阻抗匹配網絡進行連接:一分四正交功分網絡四個輸出端連接阻抗匹配網絡，阻抗匹配網絡使輸出阻抗與饋電面輸入阻抗相匹配；
[0020]所述射頻地面為天饋網絡的信號地，射頻地面連通結構主體與天線主輻射體，作為整個天線的射頻地，最終與天饋網絡輸出端連接的后續(xù)裝置的信號地接通。
[0021]作為優(yōu)選方案:所述一分四正交功分網絡通過不等長功分器或3dB的90度功率耦合器實現(xiàn)；所述射頻地面通過在天饋網絡介質基板的下底面整面覆銅實現(xiàn)；每個饋電面設有與螺旋臂底部饋電端面數(shù)量、位置相應的饋電緊固螺釘金屬化通孔，用于安裝饋電緊固螺釘。[0022]作為優(yōu)選方案:所述結構主體設有校正螺釘安裝孔，通過所述校正螺釘固定天線主輻射體；結構主體還設有饋電緊固螺釘安裝孔，饋電緊固螺釘自上而下依次通過螺旋臂底部饋電端面的饋電緊固螺釘安裝孔、天饋網絡饋電面的饋電緊固螺釘通孔和結構主體的饋電緊固螺釘安裝孔。
[0023]作為優(yōu)選方案:通過結構主體邊沿設置螺紋裝配天線罩。
[0024]作為優(yōu)選方案:所述天線主輻射體和結構主體為全金屬材料；所述天饋網絡采用較高介電常數(shù)的板材作為介質基板。
[0025]作為優(yōu)選方案:所述天線主輻射體和結構主體選擇質量較輕的鋁或鋁合金；所述天饋網絡采用高頻陶瓷復合材料。
[0026]本發(fā)明的有益效果為:
[0027]本發(fā)明與微帶導航天線相比，具有工作帶寬寬、輻射效率高、極化純度高、波束寬度大、相位中心穩(wěn)定和近場范圍小等優(yōu)點；與傳統(tǒng)四臂螺旋導航天線相比，具有增益高、結構牢固、易于生產加工等優(yōu)點。
[0028]本發(fā)明采用一體化金屬材質作為天線主輻射體，相較其他傳統(tǒng)形式天線主輻射體，具有安裝精度高、結構牢固、可靠、電磁損耗小、輻射效率高等特點。
[0029]本發(fā)明采用頂端相連的四臂螺旋結構天線主輻射體，使天線同時具有行波天線和駐波天線的特點，在保證波束寬度較寬的情況下，提高主波束增益。
[0030]本發(fā)明采用等幅正交的一分四饋電網絡作為天饋網絡主要組件，具有阻抗帶寬較寬、產生圓極化純度高、保證天線相位中心穩(wěn)定的特點。使用此種設計的天饋網絡可以使天線的輻射在各方向上保持最高的幅度一致性及極化純度，可以使天線在以軸心為軸的高速旋轉情況下穩(wěn)定地接收天空中的導航衛(wèi)星信號。本發(fā)明特別適用于高速旋轉的載體頂端安裝，或具有大沖擊、大過載環(huán)境的載體安裝。
[0031]本發(fā)明的天饋網絡饋電面與天線主輻射體饋電端面結構形式為接觸式饋電，但在中間未精準接觸的工程環(huán)境下，在一定距離范圍內依然具有饋電效果，即實際饋電類型為耦合型饋電。在這種饋電形式下，天線具有饋電端可通過金屬螺釘固定在結構主體，即天線地，的可行性。這種固定形式具有使天線饋電可靠、結構牢固的特點。
[0032]本發(fā)明的結構主體是一種能夠根據實際項目要求設計的金屬承載物，通過結構主體可以起到固定天線主輻射體及天饋網絡的作用，在結構主體外圈加工螺紋，可以安裝共形天線罩。
[0033]本發(fā)明在結構設計上將天線主輻射體、天饋網絡由上至下通過金屬螺釘固定在結構主體上，結構上十分緊湊；通過調整天線主輻射體圓臺形狀的張角，在保持主輻射體螺旋臂長不變的情況下，可以改變天線的高度以適應實際項目條件要求；并且本發(fā)明的主要結構件的材質在無特殊環(huán)境要求時都采用重量較輕的鋁或鋁合金，保證整個天線重量輕。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1為頂端諧振四臂螺旋天線立體圖；
[0035]圖2為頂端諧振四臂螺旋天線俯視圖；
[0036]圖3為天線主輻射體側視圖；
[0037]圖4為天線主輻射體仰視圖；[0038]圖5為天饋網絡俯視圖；
[0039]圖6為結構主體俯視圖；
[0040]圖7為頂端諧振四臂螺旋天線工作原理圖。
[0041]其中，1-天線主輻射體，2-天饋網絡，3-結構主體，4-校正螺釘，5-饋電緊固螺釘，6-諧振頂部，7-螺旋臂，8-饋電端面，9-一分四正交功分網絡，10-阻抗匹配網絡，11-饋電面，12-天饋輸入端，13-校正螺釘安裝孔，14-饋電緊固螺釘安裝孔。
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的頂端諧振四臂螺旋天線進行詳細說明。
[0043]如圖1?圖3所示，一種頂端諧振四臂螺旋天線，自上而下包括天線主輻射體1、天饋網絡2和結構主體3:天線主輻射體I下端接觸安裝天饋網絡2形成接觸式饋電，結構主體3用于支撐固定其上方的天線主輻射體I和天饋網絡2。
[0044]所述天線主輻射體I為金屬材質，用于將天饋網絡2流入主輻射體的電信號轉化為電磁場能量信號輻射至空間中(或逆過程)。天線主輻射體I為四臂螺旋圓臺形，頂端相連接，中心通過固定螺釘與結構主體3相固定。所述天饋網絡2用于將輸入至天饋網絡2輸入端口的電信號等功率分為四路，并且每相鄰兩路之間依次相差90度，從四個輸出端口將電信號傳遞給天線主輻射體I的四個螺旋臂7底面饋電端面8。天線主輻射體I的饋電端面8通過螺釘，貫穿天饋網絡2固定于結構主體3上。
[0045]所述天線主輻射體I包括諧振頂部6、四條螺旋臂7和螺旋臂7底部饋電端面8:所述諧振頂部6為實心圓臺，其設有沉頭螺釘通孔，用于通過校正螺釘4與結構主體3相固定，并校正所述天線主輻射體I中心位置矢量；四條圓周方向均勻分布的螺旋臂7，上部與諧振頂部6呈一體化設計，其余部分逐漸增粗沿諧振頂部6張角向下沿同一旋轉方向螺旋延伸，整體呈圓臺形；每條螺旋臂7底端水平向外延展，形成圖4所示四個互不接觸的饋電端面8，每個饋電端面8均設有饋電緊固螺釘安裝孔14。
[0046]本實施例中，四條螺旋臂7由上至下逆時針旋轉約3/4周，即270度，使天線具有右旋圓極化輻射特性；或四條螺旋臂7由上至下順時針旋轉約3/4周，使天線具有左旋圓極化輻射特性。四條螺旋臂7的長度均接近所需工作頻率波長的3/4，如約為導航信號中心頻點空間波長的3/4。每條螺旋臂7延展出的饋電端面8上設有兩個饋電緊固螺釘安裝孔14，用于安裝饋電緊固螺釘5。
[0047]如圖5所示，所述天饋網絡2由介質基板制作而成，包括一分四正交功分網絡9、阻抗匹配網絡10、四個饋電面11和射頻地面:從天饋網絡2輸入端進入的電信號依次經一分四正交功分網絡9、阻抗匹配網絡10和饋電面11通過天線主輻射體I的饋電端面8傳遞至天線主輻射體I。
[0048]在所述天饋網絡2輸入端設置輸入阻抗，本實施例中輸入阻抗為50歐姆，一般使用1/4波長變換微帶線實現(xiàn)；
[0049]所述一分四正交功分網絡9由印制在介質基板上的微帶線及焊接元器件組成，可通過不等長功分器或3dB的90度功率耦合器等形式實現(xiàn)，最終將輸入端信號等功率、依次相差90度輸出至天饋網絡2四個饋電面11 ;相位差順序根據左、右旋圓極化需求設計；所述一分四正交功分網絡9所有輸入、輸出端口根據實際需要進行阻抗匹配。[0050]所述饋電面11為與螺旋臂7底部饋電端面8相同形狀尺寸的微帶線，四個饋電面11的位置與螺旋臂7底部饋電端面8相對應，能夠在天線主輻射體I安裝在天饋網絡2上時完全被螺旋臂7底部饋電端面8所覆蓋。
[0051]饋電面11與一分四正交功分網絡9之間通過阻抗匹配網絡10進行連接:一分四正交功分網絡9四個輸出端連接阻抗匹配網絡10，阻抗匹配網絡10使輸出阻抗與饋電面11輸入阻抗相匹配。
[0052]所述射頻地面為天饋網絡2的信號地，本實施例中，射頻地面通過在天饋網絡2介質基板的下底面整面覆銅實現(xiàn)，射頻地面連通結構主體3與天線主輻射體I，作為整個天線的射頻地，最終與天饋網絡2輸出端連接的后續(xù)裝置(如天饋電纜)的信號地接通。
[0053]本實施例中，每個饋電面11設有與螺旋臂7底部饋電端面8數(shù)量、位置相應的饋電緊固螺釘5金屬化通孔，用于安裝饋電緊固螺釘5，通孔設置在不會將電信號與射頻地面在工作頻率短路的位置。
[0054]如圖6所示，所述結構主體3設有校正螺釘安裝孔13，通過所述校正螺釘4固定天線主輻射體I ;結構主體3還設有饋電緊固螺釘安裝孔14，饋電緊固螺釘5自上而下依次通過螺旋臂7底部饋電端面8的饋電緊固螺釘安裝孔14、天饋網絡2饋電面11的饋電緊固螺釘5通孔和結構主體3的饋電緊固螺釘安裝孔14。
[0055]本實施例中，結構主體3與天饋網絡2形狀相同。結構主體3邊沿設有螺紋，可以根據實際結構要求裝配天線罩。
[0056]本實施例中，所述天線主輻射體I和結構主體3為全金屬材料，優(yōu)選質量較輕的鋁或鋁合金；其中，天線主輻射體I可以采用整塊鋁棒料機加制成，以達到結構牢固、易于安裝的效果。所述天饋網絡2采用較高介電常數(shù)的板材作為介質基板，優(yōu)選高頻陶瓷復合材料。
[0057]整個頂端諧振四臂螺旋天線的工作流程如圖7所示:電信號經與信號輸入端阻抗匹配的連接器將信號輸入至信號輸入端，通過一分四正交功分網絡9輸出四路按逆時針相位依次落后90度的等幅信號，通過阻抗匹配網絡10將信號傳遞至饋電面11，信號經過耦合饋電耦合至螺旋臂7底部饋電端面8，在信號傳經天線主輻射體I中的四條螺旋臂7直至諧振頂部6過程中，將被轉化為電磁場能量向空間中以右旋圓極化形式輻射出去。天線為無源器件，圖7所示的工作流程可逆，如作為衛(wèi)星導航天線使用時，天線為接收器件。
【權利要求】
1.一種頂端諧振四臂螺旋天線，自上而下包括天線主輻射體(1)、天饋網絡(2)和結構主體(3)，天線主輻射體(1)下端接觸安裝天饋網絡(2)形成接觸式饋電，結構主體(3)用于支撐固定其上方的天線主輻射體(1)和天饋網絡(2);其特征在于: 所述天線主輻射體(1)為四臂螺旋圓臺形，四臂頂端相連接，中心通過固定螺釘與結構主體(3)相固定；所述天饋網絡(2)將輸入至天饋網絡(2)輸入端口的電信號等功率分為四路，并且每相鄰兩路之間依次相差90度，從四個輸出端口將電信號傳遞給天線主輻射體(I)的四個螺旋臂(7)底部的饋電端面(8);天線主輻射體(1)的饋電端面(8)通過螺釘，貫穿天饋網絡(2)固定于結構主體(3)上。
2.根據權利要求1所述的頂端諧振四臂螺旋天線，其特征在于:所述天線主輻射體(1)包括諧振頂部(6)、四條螺旋臂(7)和螺旋臂(7)底部饋電端面(8):所述諧振頂部(6)為實心圓臺，其設有螺釘通孔，用于通過校正螺釘(4)與結構主體(3)相固定，并校正所述天線主輻射體(1)中心位置矢量；四條圓周方向均勻分布的螺旋臂(7)，上部與諧振頂部(6)呈一體化設計，其余部分逐漸增粗沿諧振頂部(6)張角向下沿同一旋轉方向螺旋延伸，整體呈圓臺形；每條螺旋臂(7)底端水平向外延展，形成四個互不接觸的饋電端面(8)，每個饋電端面(8 )均設有饋電緊固螺釘安裝孔(14 )。
3.根據權利要求2所述的頂端諧振四臂螺旋天線，其特征在于:四條螺旋臂(7)由上至下逆時針旋轉3/4周，使天線具有右旋圓極化輻射特性；或四條螺旋臂(7)由上至下順時針旋轉3/4周，使天線具有左旋圓極化輻射特性；四條螺旋臂(7)的長度均接近所需工作頻率波長的3/4。
4.根據權利要求2所述的頂端諧振四臂螺旋天線，其特征在于:所述天饋網絡(2)由介質基板制作而成， 包括一分四正交功分網絡(9)、阻抗匹配網絡(10)、四個饋電面(11)和射頻地面:從天饋網絡(2)輸入端進入的電信號依次經一分四正交功分網絡(9)、阻抗匹配網絡(10)和饋電面(11)通過天線主輻射體(1)的饋電端面(8)傳遞至天線主輻射體(1)。
5.根據權利要求4所述的頂端諧振四臂螺旋天線，其特征在于: 所述一分四正交功分網絡(9)由印制在介質基板上的微帶線及焊接元器件組成，將輸入端信號等功率、依次相差90度輸出至天饋網絡(2)四個饋電面(11);相位差順序根據左、右旋圓極化需求設計；所述一分四正交功分網絡(9)所有輸入、輸出端口根據實際需要進行阻抗匹配； 所述饋電面(11)為與螺旋臂(7)底部饋電端面(8)相同形狀尺寸的微帶線，四個饋電面(11)的位置與螺旋臂(7)底部饋電端面(8)相對應，能夠在天線主輻射體(1)安裝在天饋網絡(2)上時完全被螺旋臂(7)底部饋電端面(8)所覆蓋； 饋電面(11)與一分四正交功分網絡(9)之間通過阻抗匹配網絡(10)進行連接:一分四正交功分網絡(9)四個輸出端連接阻抗匹配網絡(10)，阻抗匹配網絡(10)使輸出阻抗與饋電面(11)輸入阻抗相匹配； 所述射頻地面為天饋網絡(2)的信號地，射頻地面連通結構主體(3)與天線主輻射體(1)，作為整個天線的射頻地，最終與天饋網絡(2)輸出端連接的后續(xù)裝置的信號地接通。
6.根據權利要求5所述的頂端諧振四臂螺旋天線，其特征在于: 所述一分四正交功分網絡(9)通過不等長功分器或3dB的90度功率耦合器實現(xiàn)；所述射頻地面通過在天饋網絡(2)介質基板的下底面整面覆銅實現(xiàn)；每個饋電面(11)設有與螺旋臂(7)底部饋電端面(8)數(shù)量、位置相應的饋電緊固螺釘(5)金屬化通孔，用于安裝饋電緊固螺釘(5)。
7.根據權利要求2所述的頂端諧振四臂螺旋天線，其特征在于:所述結構主體(3)設有校正螺釘安裝孔(13)，通過所述校正螺釘(4)固定天線主輻射體(1);結構主體(3)還設有饋電緊固螺釘安裝孔(14)，饋電緊固螺釘(5)自上而下依次通過螺旋臂(7)底部饋電端面(8)的饋電緊固螺釘安裝孔(14)、天饋網絡(2)饋電面(11)的饋電緊固螺釘(5)通孔和結構主體(3)的饋電緊固螺釘安裝孔(14)。
8.根據權利要求7所述的頂端諧振四臂螺旋天線，其特征在于:通過結構主體(3)邊沿設置螺紋裝配天線罩。
9.根據權利要求1或2所述的頂端諧振四臂螺旋天線，其特征在于:所述天線主輻射體(1)和結構主體(3)為全金屬材料；所述天饋網絡(2)采用較高介電常數(shù)的板材作為介質基板。
10.根據權利要求1或2所述的頂端諧振四臂螺旋天線，其特征在于:所述天線主輻射體(1)和結構主 體(3)選擇質量較輕的鋁或鋁合金；所述天饋網絡(2)采用高頻陶瓷復合材料。
【文檔編號】H01Q1/12GK103915679SQ201410125651
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權日:2014年3月31日
【發(fā)明者】劉崢 申請人:北京自動化控制設備研究所